自然伽馬能譜測井在延安地區(qū)黏土礦物分析中的應用

寧 波，姚志剛，李瑞祥

(西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065)

巖石中的黏土礦物會影響測井值，因此需要對黏土礦物進行研究，分析黏土礦物對于油層保護和提高原油產(chǎn)量及采收率具有重要意義。地球上存在黏土礦物的油層占總油層的50%以上，黏土礦物比較復雜，具有敏感性。而油田鉆井開發(fā)時通常會采用各種鉆井液和增產(chǎn)液，當其與油層中的黏土礦物不匹配時，黏土礦物就會破壞油層。因此,對黏土礦物種類及含量進行研究對油氣田勘探開發(fā)以及地質(zhì)學基礎理論的研究具有重要意義。

自然伽馬能譜測井在識別不同的黏土礦物、定量計算地層中的黏土礦物含量和識別巖性等方面具有很高的應用價值[1]。近年來，自然伽馬能譜測井方法在中國多個大油田相繼投入生產(chǎn)實踐，并以其獨特的優(yōu)勢解決了很多實際問題。目前應用較多的是條件交會圖法和統(tǒng)計分類法。條件交會圖法是利用鉀-釷交會圖識別出不同井段上黏土礦物組合類型的變化規(guī)律，再采用多元線性逐步回歸分析法，建立黏土礦物類型及含量計算模型[2]。但條件交會圖法對黏土礦物的類型識別不夠準確，并且對黏土礦物精確含量的計算均依靠于室內(nèi)巖芯分析資料，成本高，過程復雜。統(tǒng)計分類法主要應用于巖性識別，但是統(tǒng)計分類法的算法太過復雜，且不易改進。因此，一種新的巖性識別方法的建立已成為研究的重點。

不同地層放射性特征反映了地層巖性的變化[3]。而自然伽馬能譜能夠反映出黏土礦物中放射性元素的含量高低，同時也為預測地下巖性中黏土礦物的含量提供了一種簡單易行的方法?；诖?，對延安地區(qū)實際情況進行研究，利用自然伽馬能譜測井確定黏土礦物；并在條件交會圖法的基礎上進行改進，為識別巖性尤其是黏土礦物識別建立了新的思路，同時為該區(qū)勘探開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)現(xiàn)今構造形態(tài)、基底性質(zhì)和底形及大的構造運動情況，結合中國行政區(qū)劃，將鄂爾多斯盆地構造單元由南至北，有東至西劃分為6個一級構造單元。即南部的渭北隆起、北部為伊盟隆起；東部為晉西撓褶帶、中部的陜北大單斜坡(范圍最大，占整個盆地面積的1/2左右)、中西部天環(huán)大坳陷和西部的西緣逆沖斷帶[4]。而研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地延安地區(qū)，地處陜北斜坡構造單元的東部地區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)構造位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural location in the study area

2 黏土礦物成分與放射性元素含量的關系

不同巖石的自然伽馬放射性不同，泥質(zhì)含量越低，放射性越低。在組成巖石的眾多礦物中，放射性元素含量最多的是黏土礦物，而不同黏土礦物中U、Th和K的含量存在差異。黏土礦物存在較強的可塑性、膠體性與吸附性。主要黏土礦物有伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石和混層黏土礦物[5]。

研究發(fā)現(xiàn)各種黏土礦物的測井特征值存在差異[6]。表1為高嶺石、綠泥石、伊利石和蒙脫石U、Th、K含量及Th/K、孔隙度等參數(shù)的測井響應值[7]。

3 圖版法確定黏土礦物

斯倫貝謝公司制作的圖版[8]，可以對地層中所含量的黏土礦物類型定性判別,但是此圖版不能提供黏土礦物含量與具體對應關系。因此,根據(jù)延安地區(qū)所采集到的井數(shù)據(jù)，采用黃茜[9]2008年改進的圖版進行分析，該圖版可以確定黏土礦物的種類以及大體含量。

表1 常見黏土礦物的測井特征值Table 1 Logging eigenvalues of common clay minerals

圖2 黏土礦物分析圖版[9]Fig.2 Clay mineral analysis chart[9]

如圖2所示，純伊利石分布于圖2的右上角,其變化趨勢為由其他區(qū)域向右上角,伊利石含量逐漸增加。當伊利石成分增大時,反映在圖版上可能有兩種表現(xiàn)形式:一是伊利石線百分數(shù)增加;二是伊/高轉(zhuǎn)化百分線值增加。因此伊利石線和伊利石的伊/高轉(zhuǎn)化百分線值可分別反映伊利石礦物成分的變化程度,二者共同效應才能夠真正代表伊利石含量。伊利石相對含量具體計算過程:首先讀出資料點落在伊利石線的百分數(shù),再讀伊利石的伊/高轉(zhuǎn)化百分線值,故二者之積為伊利石的百分含量。高嶺石含量為高嶺石線的百分數(shù)與伊/高轉(zhuǎn)化百分線值之積。計算出伊利石及高嶺石百分含量之后,利用高嶺石含綠泥石、伊利石、蒙脫石伊蒙混層為地層中主要黏土礦物,三者之和約為100%,計算出蒙脫石含量內(nèi)含伊蒙混層[9]。

由圖2可知，研究區(qū)黏土礦物類型是混合礦物。根據(jù)上述的計算方法，伊利石含量最高，約為20%～70%；其次是高嶺石，含量約為21%～50%；蒙脫石含量最少，約為0～59%。原測井資料顯示：高嶺石含量在20%～60%，伊利石含量為30%～70%，蒙脫石含量為10%～50%。對比可知，高嶺石、蒙脫石與伊利石的圖版分析結果和實際資料相符。

4 多元回歸確定黏土礦物成分及含量

4.1 研究區(qū)黏土礦物含量和U、Th、K含量之間的關系

首先通過圖版計算高嶺石、伊利石和蒙脫石的相對含量，然后作高嶺石、伊利石和蒙脫石含量與放射性元素U、Th、K含量的交會圖，最后分析高嶺石、伊利石和蒙脫石含量與U、Th、K含量之間的相關關系。

4.1.1 高嶺石含量與U、Th、K含量的交會圖

圖3 高嶺石含量與U、Th、K含量交會圖Fig.3 Intersection diagram of kaolinite content and U,Th,K content

如圖3所示，隨著U含量增大，高嶺石含量既有增大的趨勢，也有減小的趨勢，說明高嶺石含量和U含量之間的相關性不明顯；高嶺石含量和Th含量的相關系數(shù)為0.98，隨著Th含量的增大，高嶺石含量顯著增大，表明高嶺石含量和Th含量之間的關系為高度正相關；高嶺石含量與K含量的相關系數(shù)為0.74，隨著K含量的增加，高嶺石含量也不斷增加，說明高嶺石含量和K含量之間的關系為強線性正相關。

4.1.2 伊利石含量和U、Th、K含量的交會圖

如圖4所示，伊利石含量與U含量的相關系數(shù)為0.61，隨著U含量增大，伊利石含量也增大，說明伊利石含量與U含量之間關系為正相關；伊利石含量與Th含量的相關系數(shù)為0.67，隨著Th含量增大，伊利石含量也不斷增大，表明伊利石含量和Th含量之間的關系也是正相關；伊利石含量與K含量的相關系數(shù)為0.96，隨著K含量的增大，伊利石含量也明顯增大，說明伊利石含量和K含量之間的關系為高度正相關。

圖4 伊利石含量與U、Th、K含量交會圖Fig.4 Intersection diagram of Illite content and U,Th,K content

4.1.3 蒙脫石含量和U、Th、K含量的交會圖

如圖5所示，蒙脫石含量與U含量的相關系數(shù)為0.31，U含量增加，蒙脫石含量有減小趨勢，說明蒙脫石含量和U含量之間的關系為弱負相關；蒙脫石含量與Th含量的相關系數(shù)為0.94，隨著Th含量增大，蒙脫石含量明顯減小，表明蒙脫石含量與Th含量之間的關系為強線性負相關；蒙脫石含量與K含量之間的相關系數(shù)為0.94，隨著K含量的增大，蒙脫石含量顯著減少，說明蒙脫石含量和K含量之間的關系也為高度負相關。

圖5 蒙脫石含量與U、Th、K含量交會圖Fig.5 Intersection diagram of montmorillonite content and U,Th,K content

4.2 建立黏土礦物含量多元線性回歸方程

根據(jù)上述的相關性分析，可以發(fā)現(xiàn)黏土礦物含量和U、Th、K含量之間存在或強或弱，或正或負的線性相關關系，這與多元線性回歸的基本條件符合，于是建立多元線性回歸方程[10]：

Wx=a+bU+cTh+dK

(1)

式(1)中：Wx為黏土礦物相對含量；x為黏土礦物類型；a為常數(shù)項；b、c、d分別為變量U、Th、K的系數(shù)。將黏土礦物含量Wx和U、Th、K含量代入式(1)，通過最小二乘法擬合求得a、b、c、d，代入式(1)，即為黏土礦物的多元線性回歸計算方程。

求得井C的黏土礦物含量和U、Th、K含量的多元線性回歸計算方程：

(2)

式(2)中：W(高嶺石)為高嶺石的相對含量；W伊利石為伊利石的相對含量；W蒙脫石為蒙脫石的相對含量。根據(jù)井C各點U、Th、K含量，可以通過式(2)，分別計算出各個點所對應的高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物含量。

將多元線性回歸方程計算的高嶺石含量與從圖版讀取的高嶺石含量作交會圖，如圖6所示，橫坐標W高1為高嶺石的圖版讀取值，縱坐標W高嶺石為多元線性回歸方程計算的高嶺石含量。由圖6可知，W高嶺石和W高1比較均勻的分布在直線y=x上及兩邊，說明回歸擬合效果很好，表明可以利用多元線性回歸方程來計算高嶺石含量。

圖6 高嶺石回歸方程計算值與圖版讀取值交會圖Fig.6 Intersection of calculated value and chart reading value of kaolinite regression equation

圖7 伊利石回歸方程計算值與圖版讀取值交會圖Fig.7 Intersection of calculated value and chart reading value of Illite regression equation

將多元線性回歸方程計算的伊利石含量與從圖版讀取的伊利石含量作交會圖，如圖7所示。圖7的橫坐標W伊1為伊利石的圖版讀取值，縱坐標W伊利石為多元線性回歸方程計算的伊利石含量。通過交會圖(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，W伊利石和W伊1比較均勻的分布在直線y=x上及兩邊，說明回歸擬合效果很好，表明可以利用多元線性回歸方程來計算伊利石含量。

將多元線性回歸方程計算的蒙脫石含量與從圖版讀取的蒙脫石含量作交會圖，如圖8所示，橫坐標W蒙1為蒙脫石的圖版讀取值，縱坐標W蒙脫石為多元線性回歸方程計算的蒙脫石含量。通過交會圖可以發(fā)現(xiàn)，W蒙脫石和W蒙1比較均勻的分布在直線y=x上及兩邊，說明回歸擬合效果很好，表明可以利用多元線性回歸方程來計算蒙脫石含量。

圖8 蒙脫石回歸方程計算值與圖版讀取值交會圖Fig.8 Intersection of calculated value and chart reading value of montmorillonite regression equation

分析發(fā)現(xiàn)，高嶺石、伊利石和蒙脫石的回歸擬合效果都很好，說明可以通過多元線性回歸方程來計算黏土礦物含量，該方法是可行的。

4.3 確定黏土礦物的絕對含量

通過圖版法和多元線性回歸方程確定的黏土礦物含量都是相對含量，要確定黏土礦物的絕對含量，就需要計算出泥質(zhì)含量[11]。

泥質(zhì)含量的計算方法有很多，研究表明地層的泥質(zhì)含量和釷或鉀含量的線性關系較好，但與地層的鈾含量關系復雜。因為鈾除了伴隨碎屑沉積存在外，還與地層的有機質(zhì)和一些含鈾重礦物含量有關，所以一般不用鈾含量求泥質(zhì)含量，而用釷含量與鉀含量的測井值計算泥質(zhì)含量。因此利用釷含量來確定泥質(zhì)含量，計算公式如式(3)、式(4)所示:

SVTH=(Th-Thmin)/(Thmax-Thmin)

(3)

SVTE=(2GCUR·SVTH-1)/(2GCUR-1)

(4)

式中:SVTH和SVTE分別為釷含量求得的泥質(zhì)含量指數(shù)和泥質(zhì)體積含量；Th為釷的含量，min和max分別為純砂巖地層和純泥巖地層的最小值與最大值；GCUR為Hilchie指數(shù)[12]。

計算求得泥質(zhì)含量后，與黏土礦物的相對含量作積，便可確定其在地層中的絕對含量。

5 結論

通過對研究區(qū)的自然伽馬能譜測井值U、Th、K與黏土礦物含量的分析，可以得到以下結論。

(1)通過改進的圖版計算不同地層中高嶺石、伊利石及蒙脫石含量，作黏土礦物含量與U、Th、K含量的交會圖。單一地層段與混合地層段(全井不分地層)，其交會圖具有相似性，說明黏土礦物含量只與放射性元素含量有關，而與地層無關。

(2)改進后的圖版不僅可用于定性分析，還可以用于定量分析，即在判定黏土礦物類型的同時，也能夠求取黏土礦物的含量。經(jīng)過驗證求取的結果符合實際資料的分析結果，證明通過圖版法，利用自然伽馬能譜測井的放射性元素含量求取黏土礦物含量的方法是可行的。

(3)建立黏土礦物含量回歸模型，對研究區(qū)具有重要意義。對于該區(qū)黏土礦物含量的計算可達到定量要求。這種多元線性回歸的計算方法可推廣用于同一地區(qū)的黏土礦物含量計算。

(4)黏土礦物含量與多元線性回歸模型，還可以提供黏土礦物含量在沿井軸縱向上的連續(xù)性變化，可以作為重要參數(shù)應用于其他相關研究中。